横琴杧洲隧道工程衬砌结构的耐久性与保护层厚度_李见伟.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年2月第30卷 第2期FEB 2023Vol.30 No.2DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.02.029作者简介：李见伟（1991-），男，硕士研究生，工程师，主要从事隧道工程设计及研究工作。E-mail：0引言珠海横琴杧洲隧道的建设是配合横琴新区与保税区、洪湾、湾仔区域一体化发展的需要，有利于提高一体化区域的内外部交通联系，同时对培育新的经济增长点，优化投资环境，带动一体化区域的经济发展都有着重要作用，也对完善路网、促进路网合理布局具有重要的意义。横琴杧洲隧道工程所面临的高压富水环境要求衬砌结构管片需要具有高抗渗、长耐久性的性能特点。实际工程中，由于衬砌结构管片内部钢筋腐蚀导致结构提前失效事故频发。对衬砌结构耐久性研究与保护层厚度的控制就显得尤为重要1，2。本文首先结合隧道衬砌结构的实际服役情况，对影响隧道衬砌耐久性的因素进行了系统性的研究，分析了氯离子侵蚀作用对混凝土耐久性能的影响。结合Fick定律建立氯离子传输模型，使用COMSOL Multiphysics实现数值模拟氯离子的扩散规律，通过建模结果与实验数据相结合修正模型的准确度。最后，结合实验模型，提出合理的保护层厚度取值。1氯离子扩散试验1.1原材料水泥采用 P.O 42.5水泥；细骨料为天然河沙，细度模数为2.5；粗骨料采用连续级配碎石，最大粒径为20 mm；减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水效率为25%。拌合水采用实验室自来水。本试验采用3种水胶比，水胶比设计如表1所示。1.2试验设计按照表1配比成型尺寸为150mm150mm150mm立方体试件，每组6个试件，总共18个。浇筑成型后放入标准养护室进行标准养护28 d，56 d及112 d。将养护完成的试件取出，进行测试。按照 普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准：GB/T 500822009 测试28 d、56 d和112 d龄期试件氯离子扩散系数。横琴杧洲隧道工程衬砌结构的耐久性与保护层厚度李见伟1，胡瑶2，张伟3，马德群4（1、中国铁建投资集团有限公司 北京100855；2、珠海大横琴城市新中心发展有限公司广东珠海 519030；3、中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063；4、广东建科创新技术研究院有限公司广东中山528400）摘要：为研究影响横琴杧洲隧道工程衬砌结构耐久性的影响因素，设计了水胶比为0.35，0.45和0.55，不同养护龄期下的混凝土，对其开展了RCM快速氯离子电迁移试验。研究结果表明，随着养护龄期的增加，混凝土的扩散系数减少。采用有限元软件模拟氯离子的扩散规律，使用年限100年的水胶比为0.35，0.45和0.55的混凝土保护层厚度分别为50 mm，55 mm和60 mm。关键词：隧道衬砌；耐久性；氯盐侵蚀；保护层厚度中图分类号：TU745.3文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）02-112-04Durability and the Tunnel Lining Concrete Steel Protection LayerDurability and the Tunnel Lining Concrete Steel Protection Layerof the Hengqin Mangzhou Tunnel Projectof the Hengqin Mangzhou Tunnel ProjectLI Jianwei1，HU Yao2，ZHANG Wei3，MA Dequn4（1、China Railway Construction Investment Group corporation LimitedBeijing 100855，China；2、Zhuhai Dahengqin City NewCenter Development Co.，Ltd.Zhuhai 519030，China；3、China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.Wuhan430063，China；4、Guangdong Jianke Innovation Technology Research Institute Co.，Ltd.Zhongshan 528400，China）AbstractAbstract：To study the influencing factors of the durability of the lining structure of the Hengqin Mangzhou Tunnel Project，the W/C 0.35，0.45 and 0.55 was designed for concrete under different curing ages，and the RCM rapid chloride ion electromigration test was carried out.The results show that the diffusion coefficient of concrete decreased with the increase of curing age.By finite element software to simulatethe diffusion of chloride ions，we concluded that the thickness of the protective layer with W/C 0.35，0.45 and 0.55 with a service life of100 years is 50 mm，55mm and 60 mm.Key wordsKey words：tunnel lining；durability；chloride erosion；protective layer thickness编号ABC水胶比0.350.450.55密度/kgm-3水泥605409253粗骨料8179651 114细骨料656775894水258220421减水剂1.31.82.5表1混凝土配合比Tab.1Concrete Mix Proportion112李见伟，等：横琴杧洲隧道工程衬砌结构的耐久性与保护层厚度FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期标准中要求试验用试件尺寸应采用直径（1001）mm，高度为（502）mm的圆柱体，该圆柱体从立方体试件钻芯得到3。按照 水泥混凝土抗氯离子渗透试验方法（RCM法）：T05792020 规定的快速氯离子迁移系数（RCM）法测量混凝土氯离子扩散系数3。具体试验步骤如下：将试件安装在试件槽中，在试件筒内注入300 mL的0.2 mol/L的KOH溶液；在试件槽内注入5%的NaCl溶液，至与试件筒KOH溶液液面高度一致；测量初始电流；将试件劈开，在断面喷涂0.1 mol/L的AgNO3显色指示剂，测量氯离子扩散深度。试验如图1所示。混凝土氯离子扩散系数按下式计算：DRCM=2.87210-6Th(xd-xd)t=3.33810-3Th其中，DRCM为RCM法测得的氯离子扩散系数；T为温度；h为试件高度；xd为氯离子扩散深度；a为辅助变量；t为通电时间。2氯离子扩散数值模拟2.1氯离子扩散模型氯离子在混凝土中的扩散满足Fick定律，通过计算可以得到混凝土内各位置处的混凝土氯离子浓度值4-5。1970年COLLEPARDI首次提出使用Fick第二定律来求解氯离子扩散的方法，该方法被广泛应用于混凝土中氯离子扩散研究中，Fick第二定律如式所示，依据初始和边界条件，即可得到混凝土各位置氯离子随时间变化情况。Ct=x()DCxC(0，t)=CsC(x,0)=C0C(x，t)=Cs|1-erf(x2Dt)式中：C（x，t）为 t 时刻，x 深度处的氯离子浓度（%）；Cs为表面氯离子浓度（%）；C0为初始氯离子浓度（%）；D 为氯离子扩散系数（m2/s）；t 为结构暴露时间（s）；x为距离表面的深度（m）；erf为误差函数。2.2COMSOL建模COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程6-7。是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真。2.2.1建立几何模型及设置边界条件打开COMSOL软件，点击模型向导，点击二维空间维度。选择物理场，在化学物质传递中点击稀物质传递（tds），载入到物理场接口中，最后在预设研究中选择瞬态，点击完成即可。在模型开发器中寻找“组件”，选择“几何”的命令，建立正方形模型，尺寸设定为150 mm150 mm。在通量内选择混凝土二维试件的边1作为渗透面，另外三边设置成无通量，在整个区域内，二维试件的氯离子初始浓度为Cs=1 700 mol/m3。2.2.2构建网格及瞬态计算构建几何模型后，在选择物理场控制网格类型后，设置单元大小后构建网格，构建后的网格形式如图2所示。在瞬态计算中，设置时间的单位为d，初始天数为0 d，计算步长7 d，选择氯离子扩散时间为7 d、112 d，然后开始计算。3结果分析3.1氯离子扩散系数通过 RCM 法测得各配合比的氯离子扩散系数，如表2所示。从表2可以看出，随着水胶比的增大，混凝土氯离子扩散系数同样逐渐增大。这是由于随着混凝土水胶比的增加，混凝土内部孔隙增多，为氯离图1RCM快速测量试验装置示意图Fig.1Schematic of the RCM Test Device阳极NaCl溶液试件KOH溶液直流电源试验槽支架阴极环箍试件筒图2COMSOL网格构建示意图Fig.2COMSOL Mesh Construction Diagram表2混凝土氯离子扩散系数Tab.2Concrete Chloride Diffusion Coefficient水胶比0.350.450.55扩散系数（10-12/m2s-1）28 d4.957.248.4756 d3.104.805.12112 d2.123.324.12113广东土木与建筑FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期子向混凝土内部传输提供了大量的通路，从而导致扩散系数增大。另一方面，随着养护龄期的增加，混凝土氯离子扩散系数逐渐减少。随着养护龄期的增加，混凝土内部水化产物填充混凝土孔隙，降低氯离子扩散能力。3.2数值模拟分析COMSOL提供计算结果更新迭代功能，可以计算不同时间浓度变化模型，其氯离子浓度模型如图3所示。氯离子浓度随深度及腐蚀时间的变化规律如图4所示。由图4可知：不同腐蚀时间作用下的氯离子随深度的变化呈现出类似的变化趋势，并且，混凝土内部氯离子浓度随着深度的增加逐步降低，然而在超过40 mm氯离子含量可以忽略不计；氯离子浓度随着腐蚀时间的增加混凝土内部腐蚀量也逐渐增加。3.3混凝土保护层厚度根据 混凝土结构设计规范：GB 500102010 的规定，环境等级为一三类的结构混凝土中最大氯离子含量在1750 mol/m3 8。根据相关文献表明，横琴杧洲隧道工程环境类别属于-D（-E）类，即海洋氯化物环境，非常严重作用等级。同时，结构设计使用年限为100年9-10。将临界最大氯离子含量17 mol/m3代入预测得到的100年后的氯离子浓度变化模型中，即可得到设计基准期为100年时所需的混凝土保护层最小厚度值。水胶比为0.35的混凝土的100年氯离子浓度变化模型如图5所示，通过计算混凝土保护层最小保护层厚度应为 47.2 mm，建议混凝土的保护层厚度应设置为50 mm。通过对水灰比为 0.45 和 0.55 的试件进行计算，水胶比0.45和0.55的混凝土最小保护层厚度分别为55 mm和60 mm。4结语基于隧道混凝土衬砌氯离子扩散问题，设计了不同养